CN102051101A - 一种常温固化防污减阻水凝胶软涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种常温固化防污减阻水凝胶软涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)将水溶性单体、引发剂溶解于水中，调节pH值至7左右；将功能单体于水中用表面活性剂预乳化；(2)将获得的溶液混合后在30～50℃下聚合，得到粗产物溶液；(3)将得到的粗产物溶液与固化剂混合后涂膜，常温固化得到软涂层膜；(4)将得到的软涂层膜放入水中，直至溶胀平衡，得到表面光滑的防污减阻水凝胶软涂层。本发明常温固化防污减阻水凝胶软涂层的制备方法，可室温操作，工艺简单易行，原料易得且成本较低，适用于工业化生产，该涂层在制备船舶防污减阻材料及生物医用涂层材料领域具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种水凝胶软涂层的制备方法，特别涉及一种可常温固化的防污减阻水凝胶软涂层的制备方法。
背景技术
舰船、潜艇等水下设施长期浸没在海水中，不仅受到海水的腐蚀，船体表面还易附着贝壳及海藻等海洋生物，遭受海洋附着物的污损。这一方面会增加船体自重和摩擦阻力，增加燃料消耗；另一方面会加速船体腐蚀，缩短船体的使用寿命。因此，寻找合适的途径防止海洋生物对船舶和海洋结构物的污损附着具有非常重要的意义。
防污技术的研究一般从两个角度出发，一是海洋生物附着后，抑制其生长进而杀死之，二是使海洋生物难以附着在船体表面。目前，广泛应用的防污涂料多是从前者出发，在涂料中加入有毒或刺激性物质如有机锡、氧化亚铜、辣素等。然而一些有毒物质(如有机锡)在杀死海洋污损生物的同时，也会对其他鱼类、贝类等造成影响，还有可能进入食物链，成为影响人类健康和全球生态的安全隐患。这些有毒物质有的已经被禁用，有的即将被禁用(Claude Alzieu.Impact of tributyltin on marine invertebrates[J].Ecotoxicology，2000，(9)：71-76；王永芳.有机锡化合物的污染及其毒性[J]，中国食品卫生杂志，2003，15(3)：244-247)。
对于从使海洋生物难附着角度开展的防污技术，包括导电高分子防污涂料、以可溶性硅酸盐为防污剂的自抛光防污涂料、低表面能有机硅(CN1097446A，CN1810903A)、氟碳涂料等。此外，在底基上依次喷涂环氧防腐漆、连接漆，最后的面漆为有机硅树脂的双涂层体系，可大大提高涂层的附着力并在高速行驶的船舶上防污效果突出，但这种有机硅树脂仅限于几种特殊的用途，无法在大型轮船上应用，另外，它依然没有彻底解决在低速或静止海水条件下的生物污损问题。而对于有机氟树脂来说，将有机氟树脂用于低表面能防污涂料中，通过改善基料的表面张力可以减少有机物的附着污损，但其价格昂贵，固化温度高，并且涂层与基体的附着力差。
发明内容
本发明提供了一种常温固化具有防污、减阻双重作用的水凝胶软涂层的制备方法。
本发明采用微乳液聚合的方法在水溶性单体聚合过程中引入可固化的功能单体，通过pH值的调节，保护功能基团不参与反应。通过该方法，在大分子主链上引入疏水微嵌段，其侧链为可固化基团。将得到的产物与相应的固化剂均匀混合，在常温下固化成膜，然后放入水中，直至溶胀平衡，即得表面光滑的防污减阻水凝胶软涂层。
一种常温固化防污减阻水凝胶软涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水溶性单体、引发剂溶解于水中，调节pH值至7左右；将功能单体于水中用表面活性剂预乳化；所述的水溶性单体用量与水总用量的比例为2～25g/100ml水，功能单体用量与水总用量的比例为0.2～8g/100ml水，表面活性剂用量与水总用量的比例为0.1～8g/100ml水；水总用量为水溶性单体水溶液与功能单体乳化液水用量的总和；所述的引发剂用量与水溶性单体和功能单体总用量的质量比为0.001～0.05∶1；
(2)将步骤(1)获得的溶液混合后在30～50℃下聚合，得到粗产物溶液；
(3)将步骤(2)得到的粗产物溶液与固化剂混合后涂膜，常温固化得到软涂层膜，固化剂与功能单体用量的质量比为0.05～0.50∶1；
(4)将步骤(3)得到的软涂层膜放入水中，直至溶胀平衡，得到表面光滑的防污减阻水凝胶软涂层。
所述水溶性单体为结构式I、II、III、IV所示的化合物中的至少一种：
结构式I中，R1是H或CH3，R2、R3各自独立的是H或C1～C3的脂肪链，n＝1～3，Z1为苯磺酸基、磺酸基、磷酸基、苯磺酸盐基、磺酸盐基或磷酸盐基；
结构式II中，R1是H或CH3，R2、R3各自独立的是H或C1～C5的脂肪链；
结构式III中，R1是H或CH3，X是H、碱金属或铵；
结构式IV中，R1是H或CH3，Y是以下两种结构中的任意一种：
其中R4和R7各自独立的是C2～C5脂肪链，R5、R6、R8及R9各自独立的为C1～C5脂肪链，R10为C1～C5脂肪链或苯基，J为N或P，Z2为卤素、OSO2、OSO3、OPO2、OPO3或CH3COO等；
所述功能单体为结构式V、VI中的至少一种：
结构式V中的G1、G2、G4和G6各自独立的是H或C1～C3的脂肪链，G3和G5各自独立的是H或CH3，m、q各自独立的是0～3。
结构式VI中的G1、G2、G4和G6各自独立的是H或C1～C3的脂肪链，G3和G5各自独立的是H或CH3，p＝0～6。
所述的功能单体于水中用非离子型表面活性剂预乳化，非离子型表面活性剂包括聚山梨醇酯类、聚氧乙烯类。
所述引发剂为在30～50℃温度下具有较高活性的水溶性过硫酸盐、水溶性偶氮引发剂、水溶性氧化还原引发剂。
所述软涂层固化剂包括：脂肪胺及其衍生物、芳香族胺及其衍生物、咪唑类中的至少一种。
本发明的有益效果是：
本发明采用微乳液聚合方法，在水溶性单体聚合过程中引入含环氧基团及双键结构的功能单体，制成一种环境友好型防污减阻水凝胶软涂层，该软涂层主要组分是聚电解质，并且主链上含有一定数量的侧链，含有可固化的疏水微嵌段，起到交联点作用。本发明软涂层中的交联点分布比较均匀，涂层的机械性能优良；软涂层的最外面部分形成带电的分子刷，通过离子水合作用强烈吸附一层水分子，从而形成一个固定的水层，根据体积排除原理，该水层可以有效抑制海洋中的微生物的附着，起到防污的作用。不仅利用水凝胶表面不易被粘附及优异的减阻效果的特点，而且又利用了环氧树脂优异的粘附力特点。
本发明提供的制备可常温固化的防污减阻软涂层的方法，是将功能单体以微乳液共聚合的方法与水溶性单体共聚，形成微嵌段；通过功能单体上环氧基团实现固化，可室温操作，工艺简单易行，原料易得且成本较低，适用于工业化生产，该涂层在制备船舶防污减阻材料及生物医用涂层材料领域具有很好的应用前景。
具体实施方式
实施例1：
称取2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸12.5g溶解在50ml去离子水中，加入到四口烧瓶中，在冰浴条件下进行中和，用几滴氢氧化钠调节pH至7左右。再称取2-甲基-2-丙烯酸环氧乙烷基甲基酯4.2g溶解在预先加入2.0g聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯的50ml去离子水中预乳化后也加入至四口烧瓶中。氮气保护下，充分搅拌约30分钟。然后加入0.3g(NH4)2S2O8和0.2gNa2SO3，在35℃下反应7h，得粗产物溶液。取2ml粗产物，加入固化剂二乙烯三胺0.007g，搅拌约5分钟，再超声1分钟去除气泡，然后将上述混合物均匀地涂覆在已处理的载玻片常温固化24小时，成膜。得到的膜约1.1mm，拉伸强度约1.3MPa，断裂伸长率约100～150％。将膜放入去离子水中，达到溶胀平衡，得软涂层，厚约1.8mm，表面非常光滑。涂膜后的玻璃板，经用旋转流变仪测试其在水中的摩擦力，降低了60％。将本软涂层置于贝类养殖箱中进行挂板试验，前三个月内样板表面无任何生物附着，六个月后，样板表面污染值仅为约4％。
实施例2：
称取2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸12.5g溶解在50ml去离子水中，加入到四口烧瓶中，在冰浴条件下进行中和，用几滴氢氧化钠调节pH至7左右。再称取2-甲基-2-丙烯酸环氧乙烷基甲基酯0.8g溶解在预先加入1.6g聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯的50ml去离子水中预乳化后也加入到四口烧瓶中。氮气保护下，充分搅拌约30分钟。然后加入预先溶解0.2g K2S2O8和0.14gNa2SO3，在40℃下反应7h，得粗产物溶液。取2ml粗产物，加入固化剂二乙烯三胺0.005g，搅拌约5分钟，再超声1分钟去除气泡，然后将上述混合物均匀地涂覆在已处理的载玻片上常温固化24小时，成膜。得到的膜厚约0.9mm，拉伸强度约0.8MPa，断裂伸长率约100～150％。将膜放入去离子水中，达到溶胀平衡，得软涂层，厚约1.9mm，表面光滑。涂膜后的玻璃板，经用旋转流变仪测试其在水中的摩擦力，降低了70％。将本软涂层置于贝类养殖箱中进行挂板试验，前三个月内样板表面无任何生物附着，六个月后，样板表面污染值仅为约5％。
实施例3：
称取2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸4.0g溶解在50ml去离子水中，加入到四口烧瓶中，在冰浴条件下进行中和，用几滴氢氧化钠调节pH至7左右。称取1，2-环氧-7-辛烯0.5g溶解在预先加入1.4g聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯的50ml去离子水中预乳化后也加入到四口烧瓶中。氮气保护下，充分搅拌约30分钟。然后加入0.035g K2S2O8和0.025g Na2SO3，在40℃下反应6h，得粗产物溶液。取2ml粗产物，加入固化剂二乙烯三胺0.003g，搅拌约5分钟，再超声1分钟去除气泡，然后将上述混合物均匀地涂覆在已处理的载玻片上常温固化24小时，成膜。得到的膜厚约0.7mm，拉伸强度约0.6MPa，断裂伸长率约120～150％。将膜放入去离子水中，达到溶胀平衡，得软涂层，厚约1.7mm，表面非常光滑。涂膜后的玻璃板，经用旋转流变仪测试其在水中的摩擦力，降低了70％。将本软涂层置于贝类养殖箱中进行挂板试验，前三个月内样板表面无任何生物附着，六个月后，样板表面污染值仅为约3％。
实施例4：
称取甲基丙烯酸二甲基丙基磺酸胺乙酯10.0g溶解在50ml去离子水中，加入到四口烧瓶中，在冰浴条件下进行中和，用几滴氢氧化钠调节pH至7左右。称取2-甲基-2-丙烯酸环氧乙烷基甲基酯2.0g溶解在预先加入1.5g聚氧乙烯的50ml去离子水中预乳化后也加入到四口烧瓶中。氮气保护下，充分搅拌约30分钟。然后加入0.12g 2，2′-偶氮(2-脒基丙烷)二氢氯化物，在40℃下反应7h，得粗产物溶液。取2ml粗产物，加入固化剂咪唑0.008g，搅拌约5分钟，再超声1分钟去除气泡，然后将上述混合物均匀地涂覆在已处理的载玻片上常温固化24小时以上，成膜。得到的膜厚约0.9mm，拉伸强度约1.0MPa，断裂伸长率约130％～140％。将膜放入去离子水中，达到溶胀平衡，得软涂层，厚约1.7mm，表面非常光滑。涂膜后的玻璃板，经用旋转流变仪测试其在水中的摩擦力，降低了70％。将本软涂层置于贝类养殖箱中进行挂板试验，前三个月内样板表面无任何生物附着，六个月后，样板表面污染值仅为约3％。
实施例5：
称取甲基丙烯酸二甲基丙基磺酸胺乙酯15.0g溶解在50ml去离子水中，加入到四口烧瓶中，在冰浴条件下进行中和，用几滴氢氧化钠调节pH至7左右。称取2-甲基-2-丙烯酸环氧乙烷基甲基酯4.0g溶解在预先加入1.8g聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酮的50ml去离子水中预乳化后也加入到四口烧瓶中。氮气保护下，充分搅拌约30分钟。然后加入预先溶解的0.19g 2，2′-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二氢氯化物，在40℃下反应7h，得粗产物溶液。取2ml粗产物，加入固化剂己二胺0.016g，搅拌约5分钟，再超声1分钟去除气泡，然后将上述混合物均匀地涂覆在已处理的载玻片上常温固化24小时以上，成膜。得到的膜厚约0.9mm，拉伸强度约1.5MPa，断裂伸长率约130％～140％。将膜放入去离子水中，达到溶胀平衡，得软涂层，厚约1.7mm，表面非常光滑。涂膜后的玻璃板，经用旋转流变仪测试其在水中的摩擦力，降低了60％。将本软涂层置于贝类养殖箱中进行挂板试验，前三个月内样板表面无任何生物附着，六个月后，样板表面污染值仅为约4％。
实施例6：
称取丙烯酰胺10.5g溶解在50ml去离子水中，加入到四口烧瓶中，在冰浴条件下进行中和，用几滴盐酸调节pH至7左右。称取2-甲基-2-丙烯酸环氧乙烷基甲基酯2.0g溶解在预先加入1.6g脱水山梨醇单硬脂酸酯聚氧乙烯醚的50ml去离子水中预乳化后也加入到四口烧瓶中。氮气保护下，充分搅拌约30分钟。然后加入0.12g 2，2′-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二氢氯化物，在35℃下反应7h，得粗产物溶液。取2ml粗产物，加入固化剂己二胺0.008g，搅拌约5分钟，再超声1分钟去除气泡，然后将上述混合物均匀地涂覆在已处理的载玻片上常温固化24小时以上，成膜。得到的膜厚约0.9mm，拉伸强度约1.1MPa，断裂伸长率约130％～160％。将膜放入去离子水中，达到溶胀平衡，得软涂层，厚约2.0mm，表面光滑。涂膜后的玻璃板，经用旋转流变仪测试其在水中的摩擦力，降低了60％。将本软涂层置于贝类养殖箱中进行挂板试验，前三个月内样板表面无任何生物附着，六个月后，样板表面污染值仅为约4％。
实施例7：
称取2-丙烯酸钠11g溶解在50ml去离子水中，加入到四口烧瓶中，在冰浴条件下进行中和，用几滴盐酸调节pH至7左右。称取2-甲基-2-丙烯酸环氧乙烷基甲基酯2.0g溶解在预先加入1.8g聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯的50ml去离子水中预乳化后也加入到四口烧瓶中。氮气保护下，充分搅拌约30分钟。然后加入0.13g 2，2’-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二氢氯化物，在35℃下反应7h，得粗产物溶液。取2ml粗产物，加入固化剂二乙烯三胺0.008g，搅拌约5分钟，再超声1分钟去除气泡，然后将上述混合物均匀地涂覆在已处理的载玻片上常温固化24小时以上，成膜。得到的膜厚约0.9mm，拉伸强度约1.1MPa，断裂伸长率约130％～150％。将膜放入去离子水中，达到溶胀平衡，得软涂层，厚约1.7mm，表面非常光滑。涂膜后的玻璃板，经用旋转流变仪测试其在水中的摩擦力，降低了60％。将本软涂层置于贝类养殖箱中进行挂板试验，前三个月内样板表面无任何生物附着，六个月后，样板表面污染值仅为约4％。
Claims (9)
1.一种常温固化防污减阻水凝胶软涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水溶性单体、引发剂溶解于水中，调节pH值至7左右；将功能单体于水中用表面活性剂预乳化；
(2)将步骤(1)获得的溶液混合后在30～50℃下聚合，得到粗产物溶液；
(3)将步骤(2)得到的粗产物溶液与固化剂混合后涂膜，常温固化得到软涂层膜；
(4)将步骤(3)得到的软涂层膜放入水中，直至溶胀平衡，得到表面光滑的防污减阻水凝胶软涂层。
2.根据权利要求1所述的常温固化防污减阻水凝胶软涂层的制备方法，其特征在于，所述的水溶性单体用量与水总用量的比例为2～25g/100ml水，功能单体用量与水总用量的比例为0.2～8g/100ml水，表面活性剂用量与水总用量的比例为0.1～8g/100ml水；所述的水总用量为水溶性单体水溶液与功能单体乳化液水用量的总和；所述的引发剂用量与水溶性单体和功能单体总用量的质量比为0.001～0.05∶1。
3.根据权利要求1所述的常温固化防污减阻水凝胶软涂层的制备方法，其特征在于，所述的固化剂与功能单体用量的质量比为0.05～0.50∶1。
4.根据权利要求1所述的常温固化防污减阻水凝胶软涂层的制备方法，其特征在于，所述的水溶性单体为结构式I、II、III、IV所示的化合物中的至少一种：
结构式I中，R1是H或CH3，R2、R3各自独立的是H或C1～C3的脂肪链，n＝1～3，Z1为苯磺酸基、磺酸基、磷酸基、苯磺酸盐基、磺酸盐基或磷酸盐基；
结构式II中，R1是H或CH3，R2、R3各自独立的是H或C1～C5的脂肪链；
结构式III中，R1是H或CH3，X是H、碱金属或铵；
结构式IV中，R1是H或CH3，Y是以下两种结构中的任意一种：
其中R4和R7各自独立的是C2～C5脂肪链，R5、R6、R8及R9各自独立的是C1～C5脂肪链，R10为C1～C5脂肪链或苯基，J为N或P，Z2为卤素、OSO2、OSO3、OPO2、OPO3或CH3COO。
5.根据权利要求1所述的常温固化防污减阻水凝胶软涂层的制备方法，其特征在于，所述的功能单体为结构式V、VI中的至少一种：
结构式V中的G1、G2、G4和G6各自独立的是H或C1～C3的脂肪链，G3和G5各自独立的是H或CH3，m、q各自独立的是0～3。
结构式VI中的G1、G2、G4和G6各自独立的是H或C1～C3的脂肪链，G3和G5各自独立的是H或CH3，p＝0～6。
6.根据权利要求1所述的常温固化防污减阻水凝胶软涂层的制备方法，其特征在于，所述的表面活性剂为非离子型表面活性剂。
7.根据权利要求6所述的常温固化防污减阻水凝胶软涂层的制备方法，其特征在于，所述的非离子型表面活性剂为聚山梨醇酯类或聚氧乙烯类。
8.根据权利要求1所述的常温固化防污减阻水凝胶软涂层的制备方法，其特征在于，所述的引发剂为水溶性过硫酸盐、水溶性偶氮引发剂或水溶性氧化还原引发剂。
9.根据权利要求1所述的常温固化防污减阻水凝胶软涂层的制备方法，其特征在于，所述的软涂层固化剂为脂肪胺及其衍生物、芳香族胺及其衍生物、咪唑类中的至少一种。
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Legal Events
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Granted publication date: 20120704 Termination date: 20211118 |